ES2218756T3 - Aglutinante para herramientas de abrasion. - Google Patents

Aglutinante para herramientas de abrasion.

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ES2218756T3 ES98202796T ES98202796T ES2218756T3 ES 2218756 T3 ES2218756 T3 ES 2218756T3 ES 98202796 T ES98202796 T ES 98202796T ES 98202796 T ES98202796 T ES 98202796T ES 2218756 T3 ES2218756 T3 ES 2218756T3
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Richard M. Andrews
Bradley J. Miller
Marcus R. Skeem
Ren-Kae Shiue
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Abstract

UN AGLUTINANTE PARA UNA HERRAMIENTA ABRASIVA DE AGLUTINANTE DE METAL DE CAPA SIMPLE PUEDE DESMONTARSE QUIMICA Y ELECTROQUIMICAMENTE DE FORMA FACIL DEL NUCLEO DE METAL DE UNA HERRAMIENTA USADA, RECUPERADA PARA FACILITAR LA REUTILIZACION DEL NUCLEO. CON RELACION A LAS HERRAMIENTAS CONVENCIONALMENTE UNIDAS, LA VELOCIDAD DE DESMONTAJE DEL NUEVO AGLUTINANTE ES RAPIDO, Y EL NUCLEO DESMONTADO TIENE UNA SUPERFICIE LISA Y LIMPIA QUE NECESITA SOLAMENTE UNA MINIMA REPARACION MECANICA ANTES DE SU REUTILIZACION. EN UN ASPECTO, EL NUEVO AGLUTINANTE CONSTA ESENCIALMENTE DE UNA COMPOSICION AGLUTINANTE TERNARIA DE COBRE, ESTAÑO Y TITANIO, EN LA CUAL EL COBRE Y EL ESTAÑO ESTAN PRE-ALEADOS Y LA PRE-ALEACION Y EL COMPONENTE DE TITANIO SE INCORPORAN EN LA COMPOSICION DEL AGLUTINANTE COMO POLVO DE TAMAÑO FINO DE PARTICULA. EN OTRO ASPECTO, EL AGLUTINANTE ES UNA COMPOSICION AGLUTINANTE CUATERNARIA QUE CONSTA ESENCIALMENTE DE COBRE, ESTAÑO, TITANIO Y PLATA. LOS COMPONENTES EN POLVO PUEDEN UTILIZARSE EN SECO O MEZCLADOS CON UN AMALGAMADOR LIQUIDO FUGITIVO TAL COMO UNA PASTA. EL NUEVO AGLUTINANTE PUEDE SOLDARSE A UNA TEMPERATURA MENOR QUE LOS AGLUTINANTES DE COBRE/ESTAÑO/TITANIO PREPARADOS DE OTRA FORMA. LA COMPOSICION DE AGLUTINANTE FORMA UN BUEN FUNDENTE A TEMPERATURA DE SOLDADURA QUE FLUYE SUAVEMENTE, DE FORMA IGUALADA SOBRE LA PLATAFORMA DE LA HERRAMIENTA Y SUMINISTRA UNA CALIDAD CONSISTENTE DE UNION DE ABRASIVO DE HERRAMIENTA A HERRAMIENTA.

Description

Aglutinante para herramientas de abrasión.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un aglutinante para la unión de polvo al núcleo de una herramienta de abrasión. Más específicamente se refiere a un aglutinante que puede ser fácilmente extraído para facilitar la reutilización del núcleo.
Antecedentes y descripción de la invención
Frecuentemente las herramientas de abrasión industriales incluyen granos abrasivos de una sustancia dura fijados a un núcleo rígido. El núcleo puede estar adaptado para ser conducido manualmente o de manera automatizada en contacto con una pieza de trabajo a afilar, cortar, pulir o de otro modo erosiona la pieza de trabajo a una forma deseada. Los granos abrasivos están usualmente unidos al núcleo mediante un material a menudo denominado aglutinante (véase por ejemplo la patente GB-A-1491044).
La capacidad de corte de las herramientas de abrasión generalmente disminuye con el uso continuado. En última instancia, una herramienta se desgasta tanto que llega a ser inefectiva para su uso posterior y debe ser reemplazada por otra nueva. Frecuentemente el desgaste causante de la reducción de la capacidad de corte es debido a razones tales como un excesivo embotado y la pérdida del polvo abrasivo. El polvo puede perderse cuando el aglutinante se erosiona o se fractura a través del contacto con la pieza de trabajo. En muchos casos, sólo el abrasivo y el aglutinante están afectados por el desgaste y el núcleo permanece sensiblemente intacto.
La necesidad para reemplazar herramientas de abrasión desgastadas es importante en ciertas aplicaciones de corte agresivo tales como en material de construcción y afilado industrial. Estas aplicaciones típicamente implican materiales de afilado tales como metales, piedra natural, granito, hormigón, compuestos orgánicos, y cerámica, y mezclas de los mismos. Estos materiales de difícil corte tienden rápidamente a desgastar incluso las herramientas de abrasión más resistentes que incorporan polvos superabrasivos, tales como diamante y nitruro de boro cúbico ("CBN"). Adicionalmente, las herramientas de abrasión para el afilado en la construcción son frecuentemente bastante grandes. Las ruedas de abrasión de varios pies de diámetro para el corte de hormigón y otros materiales para calzada no son inusuales. El coste de reemplazar tales herramientas puede ser bastante elevado.
Para reducir el coste de recambio, usualmente es posible reacondicionar el núcleo recubierto de una herramienta de corte desgastada. Esto generalmente se consigue extrayendo cualquier aglutinante y polvo residual del núcleo, reparando defectos estructurales en el núcleo y aplicando una nueva superficie de corte de polvo abrasivo y aglutinante. La extracción de aglutinante y polvo de herramientas de abrasión recubiertas a menudo se conoce como disgregación del recubrimiento. La disgregación del recubrimiento es especialmente importante para la recuperación de herramientas de afilado industrial porque los proyectos industriales en su mayoría demandan un afilado de fina tolerancia. El material aglutinante residual debe ser extraído completamente de un núcleo usado para obtener una adecuada precisión dimensional para el afilado industrial. Por supuesto, la disgregación del recubrimiento también es importante en el afilado para la construcción.
Muchas técnicas tales como decapado al ácido y calentamiento pueden ser usadas para disgregar núcleos recubiertos. Herramientas de abrasión que emplean un aglutinante metálico usualmente son disgregadas mediante una combinación de procesos químicos y electroquímicos. Es decir, la herramienta puede ser sumergida en un baño químico que es selectivamente corrosivo a la composición del aglutinante. Un circuito eléctrico adecuado puede ser aplicado de manera que además disgregue el aglutinante del núcleo mediante electrodeposición inversa.
Aunque importante para muchos tipos de herramientas de abrasión, la capacidad de disgregación del núcleo es particularmente importante en el desarrollo de aglutinantes para un tipo de herramientas llamados "aglutinante metálico de capa simple" ("SLMB"). Las herramientas SLMB básicamente están fabricadas mediante la aplicación de polvo y una fina capa de material aglutinante en la superficie de corte del núcleo. Finalmente, un aglutinante entre el polvo y el núcleo es soldado mediante un tratamiento de calor del conjunto.
El níquel es un componente en aglutinantes tradicionales que puede ser fácilmente disgregado del núcleo. Sin embargo, los materiales aglutinantes que contienen níquel usualmente se sueldan a muy elevada temperatura, típicamente alrededor de 1000ºC causando efectos adversos. En este rango de temperatura las partículas de diamante grafitizan, y a menudo incluso el núcleo metálico se distorsiona. Alternativamente, los aglutinantes de níquel pueden llevarse a cabo mediante electrodeposición. Este proceso presenta inconvenientes de que los baños de electrodeposición utilizan grandes volúmenes de polvo abrasivo dispersado en el líquido de deposición. Si el polvo es diamante o CBN, el baño de deposición llega a ser excesivamente caro de mantener. Los aglutinantes electrodepositados tampoco actúan como los llamados aglutinantes "activos", descritos anteriormente, es decir, los aglutinantes no son tan resistentes y los granos se desalojan de la herramienta más fácilmente. Este pobre rendimiento es entendido como resultado de la falta de interacción química entre la composición del aglutinante electrodepositado y el material de grano abrasivo.
Las aleaciones de aglutinante activo que incluyen componentes químicamente activos tales como titanio han ganado popularidad en el campo de los aglutinantes para herramientas SLMB. Wesgo, Inc. de Belmont, California ofrece un aglutinante basado en cobre-plata eutéctica con 4.5% en peso de titanio bajo el nombre comercial Ticusil. Aunque este producto proporciona un aglutinante de fácil disgregación, es relativamente caro debido al contenido de plata, y su rendimiento en servicio es moderado.
La patente US 5102621 describe una aleación de soldadura ternaria que consiste esencialmente en 0.5-10% en peso de titanio, 10-50% en peso de estaño y cobre equilibrado. La aleación de soldadura está dirigida a formar una junta de soldadura entre un cuerpo de grafito o carbono y un miembro metálico, principalmente en la industria electrónica para soldar electrodos de grafito con conductores de cobre. La aleación de soldadura es preparada mediante el mezclado de cantidades apropiadas de cobre, estaño y titanio y calentando la mezcla en un crisol. Esta referencia indica que la aleación de soldadura se humedece y forma buenos aglutinantes con el grafito.
Una aleación de aglutinante SLMB preferida presenta la composición 70 Cu/21 Sn/9 Ti (% en peso). Los tres polvos de metal pueden ser mezclados con un aglutinante líquido para obtener una pasta. Un aglutinante formado mediante la aplicación de pasta a un núcleo de metal, depositando partículas abrasivas en la pasta y soldando la aleación a elevada temperatura es resistente pero desafortunadamente, no es fácilmente disgregable mediante procedimientos químicos y electromecánicos. Tales composiciones de aglutinante que contienen Cu/Sn/Ti son ideadas para disgregarse escasamente porque (a) fases intermetálicas de estaño en el aglutinante son resistentes a la corrosión mediante disgregaciones químicas, y (b) una fase intermetálica de Ti/Fe/Cu/Sn es formada la cual adhiere fuertemente el aglutinante al núcleo. El estaño y el titanio tienen un punto de fusión inhibido para la aleación y el titanio reacciona con el carbono lo que provoca beneficiosamente que el aglutinante fundido humedezca el polvo de diamante durante el proceso de soldadura. Por lo tanto, reducir simplemente la cantidad de estaño y titanio en la composición para mejorar la capacidad de disgregación es indeseable.
Los aglutinantes Cu/Sn/Ti para soldadura tradicionalmente son fabricados mezclando juntos los polvos de los tres componentes individuales para obtener una mezcla concentrada y uniforme. Ventajosamente este procedimiento proporciona al fabricante un excelente control sobre la composición de aglutinante final porque la cantidad de cada uno de los componentes puede ser ajustada por separado. Se ha descubierto que el aglutinante fabricado mediante dos etapas de procedimiento implica primero la combinación de los componentes de cobre y estaño en una aleación de bronce, y segundo el mezclado de polvo de bronce con una apropiada cantidad de polvo de hidruro de titanio, es elevadamente efectivo para aglutinantes SLMB, y es mucho más disgregable que los aglutinantes Cu/Sn/Ti
tradicionales.
En consecuencia, la presente invención proporciona una composición de aglutinante disgregable para una herramienta de abrasión que presenta un núcleo predominantemente de acero que consiste esencialmente en:
(a)
alrededor de 85-95% en peso de aleación de bronce, alrededor de 5.6-41.2% en peso de estaño y alrededor de 58.8-94.4% en peso de cobre; y
(b)
alrededor de 5-15% en peso de titanio.
También está prevista una herramienta de abrasión que comprende polvo abrasivo unido a un núcleo predominantemente de acero mediante soldadura de acuerdo con la reivindicación 15.
Adicionalmente esta invención proporciona un procedimiento para unir un polvo abrasivo a una herramienta que tiene un núcleo predominantemente de acero, comprendiendo las etapas de:
(1)
mezclar según una mezcla uniforme un polvo de aleación de bronce que consiste esencialmente en alrededor de 5.6-41.2% en peso de estaño y una cantidad complementaria de cobre; y un polvo de hidruro de titanio; en la que los polvos están presentes en proporciones efectivas para obtener una composición de aglutinante que consiste esencialmente en
(i)
alrededor de 50-90% en peso de cobre;
(ii)
alrededor de 5-35% en peso de estaño; y
(iii)
alrededor de 5-15% en peso de titanio;
(2)
colocar los granos abrasivos y la composición de aglutinante en una superficie de corte del núcleo;
(3)
calentar la composición de aglutinante a una temperatura elevada por debajo de la temperatura de soldadura de como máximo alrededor de 870ºC en una atmósfera sensiblemente libre de oxígeno siendo el calentamiento efectivo para provocar que el hidruro de titanio se disocie a titanio en elemento; y
(4)
calentar además la composición de aglutinante a la temperatura de soldadura durante un periodo efectivo para licuar una mayor fracción de composición.
Descripción detallada
En un aspecto, la invención es un aglutinante disgregable para una herramienta de abrasión con un núcleo predominantemente de acero que utiliza una composición de aglutinante mayoritariamente de cobre, estaño y titanio. Ocasionalmente aquí, el término "composición de aglutinante" es usado para designar la composición de la mezcla de componentes que constituyen el aglutinante. El término "aglutinante" significa el aglutinante fundido después del calentamiento u otro tratamiento de la composición de aglutinante para fijar los granos abrasivos a la herramienta. Tal como se usa aquí, el término "núcleo predominantemente de acero" significa un núcleo de composición metálica en el que el acero en elemento es un componente sustancial. El núcleo predominantemente de acero está previsto para comprender núcleos de acero en elemento y aleaciones de acero, tales como acero semiduro y acero inoxidable, los cuales pueden contener menores pero significantes proporciones de níquel, cromo, molibdeno, cromo, vanadio, tungsteno, silicio, manganeso y mezclas de los mismos, por ejemplo.
Los granos que están unidos al núcleo metálico pueden tener cualquier dureza adecuada, material abrasivo particularmente granular. Los abrasivos representativos que pueden ser utilizados en esta invención incluyen óxido de aluminio, carburo de silicio, carburo de tungsteno, y similares. El óxido de aluminio comprende abrasivo de alúmina estándar así como el llamado, alfa-alúmina sol-gel microcristalino sembrado y desembrado. La particular preferencia se da en el uso de sustancias abrasivas muy duras generalmente conocidas como superabrasivas. Esto incluye el diamante, el nitruro de boro cúbico y mezclas de los mismos. De entre estos, el diamante es preferido, principalmente para cortar materiales no metálicos.
Para proporcionar la disgregación deseada del aglutinante del núcleo metálico, el cobre, el estaño y el titanio están presentes en la composición de aglutinante como dos componentes, llamados, aleación de bronce y titanio. Las cantidades de cobre y estaño son complementarias al total del 100%. Preferentemente la aleación de bronce consiste esencialmente en alrededor de 50-90% en peso de cobre y de alrededor de 5-35% en peso de estaño; más preferentemente, en alrededor de 70-90% en peso de cobre y alrededor de 10-30% en peso de estaño; y todavía más preferentemente en alrededor de 75-77% en peso de cobre y 23-25% en peso de estaño.
El ingrediente de titanio preferentemente contiene titanio en una forma que puede reaccionar durante la soldadura con un superabrasivo, particularmente diamante. Esta reactividad mejora la capacidad de la composición de soldadura fundida para humedecer la superficie de los granos abrasivos. El resultado de la compatibilidad mejorada entre el aglutinante y el superabrasivo está pensada para favorecer la resistencia del aglutinante adhesivo. El titanio puede ser añadido a la mezcla en forma de elemento o de compuesto. El titanio en elemento reacciona con agua y u oxígeno a baja temperatura para formar dióxido de titanio y por tanto se vuelve indisponible para reaccionar con el diamante durante la soldadura. De este modo, la adición de titanio en elemento es menos preferida cuando agua u oxígeno están presentes. El agua puede ser introducida como un constituyente o contaminante de un opcional, aglutinante líquido. Si el titanio es añadido en forma de compuesto, el compuesto debe ser capaz de disociarse durante la etapa de soldadura para permitir que el titanio reaccione con el superabrasivo. Preferentemente el titanio es añadido al material aglutinante como hidruro de titanio, TiH_{2}, el cual es estable hasta alrededor de 500ºC. Por encima de alrededor de 500ºC, el hidruro de titanio se disocia a titanio e hidrógeno.
Tanto la aleación de bronce como los componentes de titanio preferentemente son incorporados en la composición de aglutinante en forma de polvo. Los polvos deben tener un tamaño pequeño de partículas. Esto ayuda a producir una mezcla uniforme y una concentración homogénea durante la composición de aglutinante para una humidificación óptima de los granos abrasivos durante la soldadura y para el desarrollo de la máxima resistencia del aglutinante entre el núcleo y los granos. La partícula de tamaño fino también facilita la formación de una pasta de composición de aglutinante como ha sido explicado anteriormente. Las partículas finas de dimensión máxima de alrededor de 44 \mum son preferidas. El tamaño de la partícula de los polvos metálicos puede determinarse filtrando las partículas a través de un tamiz de específico tamaño de malla. Por ejemplo, las partículas de un máximo de 44 \mum nominal pasarán a través de un tamiz de malla estándar 325 U.S. El tamaño mínimo de la partícula metálica no es particularmente crítico en la herramienta de soldadura. Generalmente está limitado por el gasto de producción de partículas ultrafinas.
Los componentes metálicos en polvo preferentemente deben estar presentes en la composición de aglutinante en los rangos de alrededor de 5-15% en peso de titanio, y alrededor de 85-95% en peso de aleación de bronce. Más preferentemente, la combinación de composición de aleación de bronce y la concentración de titanio deben tener como resultado en la composición de aglutinante alrededor de 70% en peso de cobre, alrededor de 21% en peso de estaño y alrededor de 9% en peso de titanio. Como se ha mencionado, es preferible la incorporación del componente de titanio en forma de hidruro de titanio. Para muchas aplicaciones de la composición de aglutinante de esta invención, la pequeña diferencia entre el peso molecular del titanio en elemento y el hidruro de titanio puede ser despreciada. Sin embargo, para mayor claridad debe observarse que las composiciones expuestas aquí se refieren al titanio presente, a menos que se indique específicamente de otra manera.
La composición de aglutinante es preparada mezclando los ingredientes de polvo seco, por ejemplo, mediante un fuerte agitado, hasta que las concentraciones de componentes sean uniformes durante la mezcla. La mezcla de polvos puede ser aplicada directamente sobre la superficie de corte del núcleo de la herramienta. Preferentemente, los componentes de polvo seco son mezclados con una viscosidad generalmente baja, aglutinante líquido efímero. El aglutinante líquido es añadido a los ingredientes en polvo en una proporción efectiva para formar una pasta viscosa y pegajosa, por ejemplo de la consistencia de una pasta dentífrica. En forma de pasta, la composición de aglutinante puede ser suministrada apropiadamente y debe ser adherida a la superficie de corte del núcleo y a los granos abrasivos. El término "efímero" significa que el aglutinante líquido tiene la capacidad de desalojar la composición de aglutinante a elevada temperatura, preferentemente por debajo de la temperatura de soldadura y sin afectar adversamente el proceso de soldadura. El aglutinante líquido debe ser suficientemente volátil para evaporarse sensiblemente por completo y/o pirolizarse durante la soldadura sin dejar ningún residuo que pueda interferir en la función del aglutinante. Preferentemente el aglutinante líquido se evaporizará por debajo de alrededor de 400ºC. Sin embargo, la volatilidad del aglutinante líquido debe ser suficientemente baja para que la pasta permanezca fluida y pegajosa a temperatura ambiente durante un tiempo razonable ("tiempo de secado") para aplicar la composición de aglutinante y abrasivo al núcleo y preparar las herramientas para la soldadura. Preferentemente el tiempo de secado debe ser de alrededor de 1-2 horas. Los aglutinantes líquidos apropiados para conocer los parámetros de la novedosa composición de aglutinante están comercialmente disponibles. Los representativos aglutinantes líquidos en forma de pasta apropiados para el uso en la presente invención incluyen gel Braz™ de Vitta Company; y aglutinante líquido Lucanex™ de Lucas Company. El último es una composición propietaria y requiere ser especialmente obtenido como una pasta ya mezclada por el vendedor con componentes de la composición aglutinante. El aglutinante líquido puede ser mezclado con los polvos mediante muchos procedimientos conocidos en el estado de la técnica tal como triturado de bolas. El orden de mezclado de los polvos y del aglutinante líquido no es crítico.
La pasta es colocada sobre el núcleo por cualquiera de las técnicas conocidas en el estado de la técnica, tales como cepillado, pulverización, dosificación o inmersión de la superficie de la herramienta en la pasta. Por ejemplo, la pasta puede ser colocada sobre el núcleo con ayuda de un torno. En la fabricación de herramientas de abrasión de aglutinante metálico de capa simple, una capa de granos abrasivos es entonces depositada sobre la cobertura de la composición de aglutinante. Los granos abrasivos pueden situarse individualmente o ser rociados de manera que incluso proporcionan una distribución sobre la superficie de corte. Los granos abrasivos son depositados en una capa simple, es decir, sensiblemente, un grano de espesor. El tamaño de la partícula de los granos abrasivos generalmente debe ser mayor que una malla 325, y preferentemente, mayor que aproximadamente una malla 140.
La cantidad de pasta picada es efectiva para proporcionar un grosor de aglutinante específico para mantener fuertemente los granos abrasivos en el núcleo. La cantidad apropiada de pasta dependerá en cierto modo del tamaño de los granos. Preferentemente, suficiente pasta debe ser aplicada para producir una profundidad de pasta de al menos igual a, y más preferentemente, alrededor de 1.7 a alrededor de 2.3 veces la dimensión máxima nominal de los granos abrasivos. Por ejemplo, la dimensión máxima nominal de una malla 140 para polvo es 78 \mum. Los granos y los componentes de la composición de aglutinante en polvo pueden ser alternativamente aplicados depositando primero los granos abrasivos cubiertos de adhesivo directamente sobre el núcleo metálico, cubriendo después los granos con la mezcla de polvos metálicos. El polvo metálico puede incluir opcionalmente un aglutinante líquido efímero. Las partículas de tamaño muy pequeño pueden situarse usualmente sobre el núcleo cargado de granos sin un componente de aglutinante líquido.
La composición de aglutinante de partículas de polvo mezcladas, y opcionalmente, un aglutinante líquido se densificará sobre la soldadura, como se describirá más adelante. Un experto en la materia ordinario debe ser capaz de determinar la cantidad de polvo seco o pasta a aplicar en el núcleo para producir el grosor deseado del aglutinante soldado.
El aglutinante de acuerdo con la presente invención es fabricado mediante un proceso de soldadura que implica el calentamiento de la mezcla de polvo o pasta en última instancia a una elevada temperatura de soldadura en la cual una mayor fracción de componentes sólidos licua y forma una solución líquida que fluye sobre la superficie de corte de la herramienta. En el estado líquido, ventajosamente los metales aglutinantes humedecen muy bien la superficie de los granos abrasivos. La buena capacidad de humidificación es atribuida en buena parte a la presencia del titanio que es superficialmente activo con los materiales abrasivos, especialmente el diamante superabrasivo y el CBN. También es importante proporcionar un beneficioso alto grado de disgregabilidad del aglutinante ya que el cobre y el estaño son combinados como un componente pre-aleado simple antes de la soldadura. Si el cobre y el estaño son suministrados como componentes independientes, se esperará que el estaño licue primero a su baja temperatura de fusión de 232ºC, mientras que el cobre y el titanio permanecen sólidos. Una vez es liberado como un líquido, el estaño formará una fase intermetálica con el acero del núcleo por lo que ambos debilitan el aglutinante final y se vuelve más difícil de extraer mediante procedimientos de disgregación químicos o eléctricos. El estaño que contiene la fase intermetálica debilita el aglutinante formando un componente adicional y discontinuo con el aglutinante. También reacciona con el titanio que consume una parte del titanio disponible en la composición del aglutinante, dejando por tanto menos titanio para favorecer la humidificación de los granos abrasivos.
También se ha observado que la solución líquida de cobre/estaño pre-aleado más titanio o la composición de aglutinante de polvo de hidruro de titanio fluye sobre el núcleo y los granos más suavemente, uniformemente y consistentemente, es decir, sin manchas ni irregularidades morfológicas, que de otra manera. Además, la composición de aglutinante de la presente invención licua a una temperatura ligeramente más baja que una mezcla de polvo ternaria. Esto permite que el proceso de soldadura se enfríe, lo cual preserva mejor la integridad del núcleo y los granos y también ahorra energía.
La temperatura de soldadura de las composiciones de aglutinante de cobre/estaño/titanio de acuerdo con la presente invención puede ser tan elevada como alrededor de 880ºC, que es cercana a la temperatura de soldadura de las mezclas de polvo ternario. Sin embargo, el cobre/estaño pre-aleado y el titanio binario pueden soldarse eficazmente por debajo de alrededor de 870ºC, preferentemente entre 850 y 870ºC, y más preferentemente, alrededor de 865ºC. Cuando el componente de titanio es incorporado en la composición de aglutinante como hidruro de titanio, el calentamiento a la temperatura de soldadura debe ser programado a una velocidad apropiada para permitir que el hidruro se disocie totalmente antes de alcanzar la temperatura de soldadura. Además, el aglutinante líquido efímero, si hay alguno presente, también dejará la composición de aglutinante durante las etapas de calentamiento. El aglutinante líquido puede desalojar la composición de aglutinante mediante diferentes mecanismos. Las fracciones de elevada volatilidad pueden vaporizarse a menores temperaturas, y las fracciones de baja volatilidad pueden pirolizarse a una temperatura próxima a la temperatura de soldadura.
La atmósfera del proceso de soldadura debe estar controlada para eliminar el oxígeno que puede reaccionar con los metales presentes. El control puede llevarse a cabo mediante la soldadura al vacío o preferiblemente en un ambiente purgado con gas inerte efectivo para mantener la concentración de oxígeno por debajo de alrededor de 100 partes por millón (ppm). La soldadura debe ser mantenida a la temperatura de fusión del bronce con una duración suficiente para fundir una mayor fracción de aleación de bronce y titanio y para humedecer considerablemente la superficie de los granos, particularmente cuando se utiliza un superabrasivo. Quince minutos a la temperatura de fusión del bronce es a menudo suficiente y treinta minutos es preferido.
La composición de aglutinante puede ser producida a partir de pre-aleaciones de dos o más componentes y polvos individuales. Por ejemplo, la composición de aglutinante de esta invención puede realizarse a partir de mezclas de pre-aleación de Cu/Sn y Ag y TiH_{2}; pre-aleación de Cu/Sn/Ag, pre-aleación de Cu/Sn y TiH_{2}; y pre-aleación de Ag/Cu, pre-aleación de Cu/Sn y TiH_{2}. Más preferentemente la composición de aglutinante es realizada a partir de una pre-aleación cuaternaria simple de componentes Cu/Sn/Ti/Ag.
La composición de aglutinante puede estar aplicada en forma seca o mezclada con un aglutinante líquido para la aplicación como una pasta. El componente de aglutinante líquido opcional es sensiblemente como el descrito anteriormente. El proceso para realizar una herramienta de composición de aglutinante cuaternaria es comparable al método para realizar una herramienta de composición de aglutinante ternaria.
Esta invención es ahora ilustrada mediante ejemplos de ciertas realizaciones representativas del mismo, en la que todas las partes, proporciones y porcentajes son en peso a menos que se indique lo contrario. Todas las unidades de peso y medidas no obtenidas originalmente en unidades SI han sido convertidas a unidades SI.
Ejemplos
Ejemplos 1-11
Las composiciones de aglutinante han sido probadas para el rendimiento y disgregabilidad del aglutinante. Varias aleaciones de cobre, estaño y plata y polvos de hidruro de titanio son mezclados según unas mezclas uniformes. El aglutinante líquido Braz™ es removido en las mezclas de polvo para obtener unas pastas suaves y homogéneas de 25% en peso de contenido de aglutinante líquido. Cada pasta es aplicada para separar pruebas de substratos tal como sigue: una lámina perforada de acero inoxidable de 0.25 mm de grosor es sujetada firmemente en una placa de acero lisa y limpia de aproximadamente 20 cm^{2} de superficie y 1.6 mm de grosor. La pasta es depositada en la superficie expuesta de la lámina perforada y forzada en las cavidades de la perforación con una espátula de goma dura. Unos diamantes de alrededor de 80 a 100 US de tamaño de malla estándar (alrededor de 0.12-0.18 mm) son después espolvoreados sobre la lámina de la placa de cobertura. La lámina es cuidadosamente extraída dejando los granos de diamante pegados en puntos de pasta situados discretamente en la placa. El exceso de diamantes es extraído invirtiendo la placa.
Las placas son calentadas a alrededor de 10ºC por minuto para temperaturas de soldadura al vacío de menos de 0.133 Pa (<10^{-3} Torr) después permitiendo que se enfríen, fijando de este modo el diamante a las placas. Las placas son examinadas visualmente para la uniformidad de la formación del aglutinante y las partículas son probadas manualmente para la evaluación cualitativa de la resistencia del aglutinante. Las placas son sumergidas en un baño de disgregación electroquímica que contiene un agente disgregante Enstrip 5000 bajo PH de Enthone Co. y son disgregadas eléctricamente con una corriente de 0.108 amp/cm^{2} durante alrededor de hasta 8 horas como es necesario para disgregar el aglutinante de las placas. La temperatura del baño de disgregación no es controlada precisamente en el rango de alrededor de 28-40ºC. Ocasionalmente durante la disgregación un electrolito de ácido es añadido al baño de deposición para mantener un bajo PH. Una evaluación visual del estado de la superficie de la placa es realizada después de la disgregación electroquímica. Si el aglutinante permanece, las placas son lavadas con chorro de arena y la extensión de lavado con chorro de arena requerido para devolver la superficie a un estado libre de aglutinante queda señalada.
Los componentes metálicos usados para realizar las composiciones de aglutinante están listadas en la Tabla I. Las composiciones del aglutinante, las condiciones de la soldadura y los resultados están resumidos en la tabla II.
TABLA I
1 
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 2
3
El ejemplo 1 ha sido producido a partir de una mezcla de aleación de cobre/estaño y polvos de hidruro de titanio. La composición de aglutinante proporciona el aglutinante más resistente y menos disgregable de las composiciones probadas. Algún lavado con chorro de arena es requerido para extraer completamente el aglutinante y los granos abrasivos después de la disgregación electroquímica. La extracción mecánica después de la disgregación electromecánica es requerida, sin embargo, la cantidad de limpieza es notablemente menor que la que es requerida para recuperar los aglutinantes de ruedas abrasivas de diamante de capa simple metálica a partir de mezclas de composición de aglutinante de cobre, estaño separado y polvos de hidruro de titanio. Estas ruedas requieren múltiples ciclos de disgregación electroquímica y lavado con chorro de arena para extraer completamente el aglutinante residual. El ejemplo 1 por tanto demuestra una mejora en la disgregabilidad de la composición de aglutinante de pre-aleación de cobre/estaño y titanio respecto la composición de aglutinante de tres componentes no aleados.
Las composiciones de aglutinante de los Ejemplos 2-11 son obtenidas mezclando varias combinaciones de polvos de aleación descritos en la tabla I. Generalmente, la disgregabilidad del aglutinante se mejora y la cantidad de trabajo mecánico requerido para extraer el residuo de aglutinante después de la disgregación electroquímica se reduce cuando la cantidad de plata aumenta en la composición de aglutinante.
También la capacidad para reducir la temperatura de soldadura se mejora cuando el contenido de plata aumenta. El ejemplo 1 suelda a una temperatura aceptable de 865ºC. Con alrededor de 10 partes de plata por 100 partes de Cu/Sn/Ti, (Ej. 3), la soldadura puede darse exitosamente a 855ºC. Con 50 partes por cien (Ej. 7) y 108 partes por cien (Ej. 9), se alcanza la soldadura por debajo de 800ºC. Mientras la disgregabilidad es excelente en estas composiciones de aglutinante de alto contenido de plata y baja temperatura de soldadura, la resistencia del aglutinante sufre en cierto modo. Para las mismas composiciones, elevando la temperatura de soldadura a 820ºC (Ejs. 8 y 10) se producen aglutinantes resistentes. La resistencia del aglutinante y la disgregabilidad se mantienen bastante bien en contenidos de plata de 131 partes por cien.
Ejemplos 23 y 24
Las ruedas abrasivas de diamante del aglutinante metálico de capa simple se producen como sigue. Una mezcla de algunos componentes como en el Ejemplo 4, es decir, 23 pbw de 72% en peso de Ag/28% en peso de polvo de aleación de Cu; 77 pbw de 77% en peso de Cu/23% en peso de polvo de aleación de Sn y 7.0 pbw de hidruro de titanio son fuertemente agitadas para obtener una concentración uniforme. La mezcla seca es mezclada con el aglutinante líquido Braz™ de Vitta Company para formar una pasta de 25% en peso de concentración de aglutinante líquido (Ej.23).
Una segunda composición que corresponde al Ejemplo 1 ha sido preparada mezclando 100 pbw de 77% en peso de cobre/23% en peso de polvo de aleación de estaño y 9.0 pbw de polvo de hidruro de titanio a una composición de mezcla de 70% en peso de Cu, 21% en peso de Sn y 9% en peso de Ti. La mezcla también es mezclada a 25% en peso de composición de pasta con aglutinante líquido Braz™ (Ej.24).
Las pastas están cubiertas separadamente en los bordes de dos núcleos de rueda abrasiva de acero de 10.16 cm de diámetro. El diamante abrasivo de alrededor de 0.12-0.18 mm de tamaño es espolvoreado sobre las pastas en una capa simple. El exceso de granos abrasivos es sacudido de las ruedas, las cuales son secadas al horno para evaporar el aglutinante líquido y formar precursores de rueda "verde". Los precursores donde son calentadas a 865ºC por cada 30 min. bajo una atmósfera pobre en oxígeno por debajo de 0.133 Pa de presión. Durante este tiempo, el hidruro de titanio es disociado en titanio en elemento el cual licua con componentes remanentes para cubrir los abrasivos. Las ruedas se dejan enfriar lo que provoca que el líquido de soldadura se solidifique y fije el abrasivo a los núcleos.
Las ruedas son usadas para afilar bloques de alúmina de alta densidad (99.5%) de 23.32 cm x 10.16 cm x 2.54 cm de Coors Ceramics Co., Golden, Colorado. Las ruedas son giradas a una velocidad superficial de 25.4 m/s, y la velocidad longitudinal es de 2.54 cm/s. Los bloques son cortados a una longitud y profundidad de 0.432 mm. En los ensayos las ruedas trabajan a niveles similares de energía y fuerza normal. Ambas ruedas se desgastan debido a la rotura y al aplanado de los granos de diamante. Muy breve: la pérdida del diamante (menos de 5 partículas de polvo por rueda) ha sido observada mostrando que la resistencia del aglutinante de una rueda novedosa es más favorable comparada con la rueda convencional.
Estos ejemplos muestran que los aglutinantes novedosos son capaces de proporcionar muy buen rendimiento de afilado. Tomando los resultados de disgregabilidad de los Ejemplos 4 y 1, respectivamente, los Ejemplos 23 y 24 muestran que las composiciones de aglutinante novedoso proporcionan unas combinaciones de resistencia superiores, capacidad de corte y facilidad de disgregación para la recuperación de las herramientas de abrasión gastadas.

Claims (20)

1. Una composición de aglutinante disgregable para una herramienta de abrasión que comprende un núcleo predominantemente de acero consiste esencialmente en:
(a)
alrededor de 85-95% en peso de aleación de bronce de alrededor de 5.6-41.2% en peso de estaño y alrededor de 58.8-94.4% en peso de cobre; y
(b)
alrededor de 5-15% en peso de titanio.
2. La invención según la reivindicación 1 caracterizada por el hecho de que la composición de aglutinante es de alrededor de 70% en peso de cobre, alrededor de 21% en peso de estaño y alrededor de 9% en peso de titanio.
3. La invención según la reivindicación 1 caracterizada por el hecho de que cada aleación de bronce y componentes de titanio es polvo de tamaño de partícula menor que alrededor de 44 \mum y el componente de titanio es hidruro de titanio.
4. La invención según la reivindicación 3 caracterizada por el hecho de que la composición de aglutinante además consiste sensiblemente en un aglutinante líquido efímero en una cantidad efectiva para formar una pasta.
5. Un procedimiento para unir un polvo abrasivo a una herramienta que tiene un núcleo predominantemente de acero, comprendiendo las etapas de:
(1)
mezclar según una mezcla uniforme un polvo de aleación de bronce que consiste esencialmente en alrededor de 5.6-41.2% en peso de estaño y una cantidad complementaria de cobre; y un polvo de hidruro de titanio; en la que los polvos están presentes en proporciones efectivas para obtener una composición de aglutinante que consiste esencialmente en
(i)
alrededor de 50-90% en peso de cobre;
(ii)
alrededor de 5-35% en peso de estaño; y
(iii)
alrededor de 5-15% en peso de titanio;
(2)
colocar los granos abrasivos y la composición de aglutinante en una superficie de corte del núcleo;
(3)
calentar la composición de aglutinante a una temperatura elevada por debajo de la temperatura de soldadura de como máximo alrededor de 870ºC en una atmósfera sensiblemente libre de oxígeno siendo el calentamiento efectivo para provocar que el hidruro de titanio se disocie a titanio en elemento; y
(4)
calentar además la composición de aglutinante a la temperatura de soldadura durante un periodo efectivo para licuar una mayor fracción de composición.
6. La invención según la reivindicación 5 caracterizada por el hecho de que la etapa de colocación incluye mezclar una cantidad efectiva de aglutinante líquido efímero en la composición de aglutinante para formar una pasta; cubrir la superficie de corte con una capa de la pasta; y depositar los granos abrasivos en la pasta.
7. La invención según la reivindicación 5 caracterizada por el hecho de que la etapa de colocación incluye depositar los granos cubiertos de adhesivo sobre la superficie de corte cubriendo seguidamente los granos con la composición de aglutinante.
8. La invención según la reivindicación 5 caracterizada por el hecho de que los granos están depositados sensiblemente en una capa simple.
9. La invención según la reivindicación 8 caracterizada por el hecho de que la temperatura de soldadura está comprendida en el rango de alrededor de 850-865ºC.
10. La invención según la reivindicación 8 caracterizada por el hecho de que los granos abrasivos son un superabrasivo seleccionado a partir del grupo consistente en diamante, nitruro de boro cúbico y una mezcla de los mismos.
11. La invención según la reivindicación 8 caracterizada por el hecho de que la herramienta de abrasión es una rueda.
12. La invención según la reivindicación 11 caracterizada por el hecho de que la aleación de bronce es alrededor de 23% en peso de estaño y la composición de aglutinante es alrededor de 70% en peso de cobre, alrededor de 21% en peso de estaño y alrededor de 9% en peso de titanio.
13. Una herramienta de abrasión de aglutinante metálico de capa simple que comprende:
(a)
un núcleo predominantemente de acero; y
(b)
polvo abrasivo unido al núcleo mediante una composición de aglutinante soldada según la reivindicación 1.
14. La invención según la reivindicación 13 caracterizada por el hecho de que la composición de aglutinante es de alrededor de 70% en peso de cobre, 21% en peso de estaño y alrededor de 9% en peso de titanio.
15. Una herramienta de abrasión que comprende un núcleo predominantemente de acero, caracterizada por el hecho de que la herramienta es fabricada mediante un procedimiento que comprende las etapas de:
(1)
mezclar según una mezcla uniforme un polvo de aleación de bronce que consiste esencialmente en alrededor de 5.6-41.2% en peso de estaño y una cantidad complementaria de cobre; y un polvo de hidruro de titanio; en la que los polvos están presentes en proporciones efectivas para obtener una composición de aglutinante que consiste esencialmente en
(i)
alrededor de 50-90% en peso de cobre;
(ii)
alrededor de 5-35% en peso de estaño; y
(iii)
alrededor de 5-15% en peso de titanio;
(2)
colocar los granos abrasivos y la composición de aglutinante en una superficie de corte del núcleo;
(3)
calentar la composición de aglutinante a una temperatura elevada por debajo de la temperatura de soldadura de como máximo 870ºC en una atmósfera sensiblemente libre de oxígeno siendo el calentamiento efectivo para provocar que el hidruro de titanio se disocie a titanio en elemento; y
(4)
calentar además la composición de aglutinante a la temperatura de soldadura durante un periodo efectivo para licuar una mayor fracción de composición.
16. La invención según la reivindicación 15 caracterizada por el hecho de que la temperatura de soldadura está comprendida en el rango de alrededor de 820-865ºC.
17. La invención según la reivindicación 15 caracterizada por el hecho de que los granos abrasivos son un superabrasivo seleccionado a partir del grupo consistente en diamante, nitruro de boro cúbico y una mezcla de los mismos.
18. La invención según la reivindicación 17 caracterizada por el hecho de que el polvo abrasivo está depositado sensiblemente en una capa simple.
19. La invención según la reivindicación 18 caracterizada por el hecho de que la aleación de bronce es de alrededor de 23% en peso de estaño y la composición de aglutinante es de alrededor de 70% en peso de cobre, alrededor de 21% en peso de estaño y alrededor de 9% en peso de titanio.
20. La invención según la reivindicación 15 caracterizada por el hecho de que la herramienta de abrasión es una rueda.
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